Выбор демпфирующего конденсатора и диода для импульсных драйверов насоса

Выбор демпфирующего конденсатора и диода для импульсных драйверов насоса

Резюме

Каждое выключение импульсного драйвера насоса высвобождает энергию, удерживаемую в паразитной петле. В этой статье выводятся значения индуктивной энергии, емкости демпфирующей цепи, рассеяния, времени заряда, времени сброса и сопротивления демпфирования, перечисляются четыре проблемные точки в полевых условиях и предлагаются шесть стратегий, позволяющих ограничить напряжение на шине 60 В в пределах 10 В перерегулирования.

1. Введение

Высокочастотные импульсные драйверы накачки переключаются между частотами 100 кГц и 1 МГц при токе от 20 до 100 А, при этом время нарастания в конструкциях на основе GaN составляет всего 10 нс. Каждый переход вызывает переходное напряжение на MOSFET и диодном массиве.

Если не контролировать этот процесс, переходное напряжение достигает значений, в два-три раза превышающих напряжение на шине. Затем оно вызывает лавинный пробой в переключателе, приводит к старению покрытия торца лазерного диода и вступает в цепь обратной связи по току в виде помех.

Демпфирующий элемент поглощает энергию, накопленную в индуктивности контура при каждом переходе, и высвобождает её контролируемым образом. В большинстве схем используются две топологии: RC-демпфирующий элемент и RCD-демпфирующий элемент, в котором в цепь заряда добавляется диод.

Нагрузка делает это сложнее, чем в электроприводе. Массив лазерных диодов теряет от 2 до 5 В на каждый переход и получает катастрофические повреждения при превышении номинального прямого напряжения на 10-20%.

В этой статье выводятся уравнения для энергии и времени, перечисляются четыре проблемные точки в полевых условиях и предлагаются шесть стратегий для демпфирующего контура, который ограничивает напряжение на шине 60 В с точностью до 5 % при времени отклика менее 5 нс.

2. Основной механизм

2.1 Индуктивная энергия и переходный процесс выключения

Переходный процесс возникает из-за энергии, удерживаемой в индуктивности контура в момент выключения:

E_inductance = ½ × L_parasitic × I_peak²

где E_inductance — запасенная энергия за одно переключение, L_parasitic — индуктивность контура, по которому протекает импульсный ток, а I_peak — пиковый импульсный ток.

При индуктивности 10 нГн и токе 50 А энергия события составляет 12.5 мкДж, что при частоте 500 кГц соответствует средней мощности 6.25 Вт, которую должен поглотить демпфирующий контур. Сам переходный процесс следует за временем спада тока:

V_transient = V_bus + L_parasitic × I_peak / t_fall

где V_transient — пиковое напряжение стока, V_bus — напряжение шины, а t_fall — время спада тока ключа. При времени спада 10 нс переходный процесс достигает 60 В плюс 50 В, что значительно превышает номинальное напряжение ключа 60 В.

2.2 Емкость и рассеивание демпфирующего напряжения

Емкость определяется энергией, которую необходимо поглотить для достижения заданного перерегулирования при фиксации напряжения:

C_snubber = L_parasitic × (I_peak / ΔV_clamp)²

где C_snubber — емкость демпфирующей цепи, а ΔV_clamp — допустимое повышение напряжения относительно напряжения шины.

При перерегулировании в 10 В значение составляет 250 нФ. Конденсатор заряжается до уровня ограничения и высвобождает этот заряд через разрядный резистор на каждом цикле, поэтому резистор несет:

P_dissipated = ½ × C_snubber × ΔV_clamp² × f_sw

где P_dissipated — средняя мощность в цепи разряда, а f_sw — частота переключения. При 500 кГц это составляет 6.25 Вт, что соответствует индуктивной энергии на одно событие. Резистор сброса определяется периодом переключения:

R_snubber = 1 / (4 × f_sw × C_snubber)

где демпфирующее сопротивление R_snubber разряжает конденсатор в течение одного периода. При частоте 500 кГц и емкости 250 нФ значение составляет 2 Ом, а резистор большего сопротивления оставит заряд на конденсаторе при следующем выключении.

2.3 Время зарядки и требования к диодам

Конденсатор должен достичь заданного уровня напряжения, прежде чем выключатель полностью выключится:

t_charge = C_snubber × ΔV_clamp / I_peak

где t_charge — время зарядки демпфирующего конденсатора. Для конденсатора 250 нФ, напряжения 10 В и тока 50 А это время составляет 50 нс, что укладывается в типичный интервал выключения.

Конденсатор также накапливает поглощенную энергию на уровне ограничения:

E_capacitor = ½ × C_snubber × ΔV_clamp²

где E_capacitor — энергия, запасенная за одно событие, в данной конструкции — 12.5 мкДж. Диод, участвующий в процессе зарядки, должен иметь время обратного восстановления менее 30 нс и падение напряжения в прямом направлении менее 0.8 В.

2.4 Остаточные колебания и затухание

После ограничения остаточная энергия колеблется в зависимости от паразитной емкости переключателя и диода:

f_ringing = 1 / (2π × √(L_parasitic × C_parasitic))

где f_ringing — частота колебаний, а C_parasitic — общая паразитная емкость, включая емкость выходного каскада и емкость перехода диода.

При индуктивности 10 нГн и емкости 250 пФ частота кольца составляет 100 МГц. Последовательное сопротивление, обеспечивающее его демпфирование, определяется целевым коэффициентом демпфирования:

R_damping = 2 × ζ × √(L_parasitic / C_parasitic)

где R_damping — необходимое общее последовательное сопротивление, а ζ — целевой коэффициент демпфирования. При ζ = 0.5 значение составляет 6.3 Ом, что выше значения сброса в 2 Ом. Разделенный демпфирующий резистор устраняет это различие, обеспечивая отдельные резисторы для путей заряда и разряда.

Рис. 1 — Демпфирующий резистор УЗО заряжается через диод D1 за 50 нс и сбрасывается через цепь 2 Ом; ограничитель поддерживает напряжение на 10 В выше напряжения шины 60 В.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Демпфирующие конденсаторы с высоким эквивалентным последовательным сопротивлением ослабляют ограничитель.

Керамические компоненты общего назначения имеют сопротивление от 50 мОм до 200 мОм на частоте 100 МГц. Во время фазы быстрого заряда импульсный ток 50 А создает напряжение 5 В на эквивалентном последовательном сопротивлении 100 мОм, что напрямую влияет на работу ограничителя.

В результате напряжение на клеммах составляет 75 В вместо 70 В, что представляет собой 7%-ное превышение и может привести к выходу тока за пределы безопасной рабочей зоны устройства, работающего на 80 В. Проблема не в самом значении емкости конденсатора.

Проблема 2: Медленное обратное восстановление заряда диода.

Диод с временем обратного восстановления более 50 нс позволяет току течь в обратном направлении при включении переключателя. Энергия на одно событие составляет 0.5 × 50 А × 50 нс × 10 В, что равно 12.5 мкДж.

На частоте 500 кГц это приводит к выделению 6.25 Вт тепла внутри корпуса диода, что сопоставимо с энергией, которую призван поглощать демпфирующий контур. Кроме того, это вызывает колебания на противоположной шине и создает помехи в токовой петле.

Проблемный момент 3: Диэлектрическое поглощение как память напряжения

Детали класса II восстанавливают от 1% до 5% своего заряда после разряда в течение микросекунд или миллисекунд. Восстановление проявляется в виде остаточного напряжения на демпфирующем конденсаторе в начале каждого цикла.

При размахе напряжения в 10 В поглощение 3% приводит к неконтролируемому смещению в 0.3 В. В диапазоне 1.2 В, допускаемом допуском по напряжению ±2% на шине 60 В, это смещение уменьшает запас прочности на четверть.

Проблемный момент 4: Тепловой разгон в демпфирующем резисторе.

Разрядный резистор пропускает 6.25 Вт непрерывно на частоте 500 кГц. Большинство металлопленочных резисторов имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, поэтому сопротивление возрастает по мере нагрева резистора.

Более высокое сопротивление означает более медленное восстановление и меньшее затухание, поэтому переходный процесс усиливается, рассеиваемая мощность растет вместе с ним, и контур выходит из-под контроля в герметичном модуле с плохой циркуляцией воздуха.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите диэлектрик класса I для демпфирующего конденсатора.

Указывать N4700 (T3M) Детали класса I. ЭПР остается в диапазоне от 20 мОм до 50 мОм на частоте 100 МГц для 250 нФ, в отличие от 50 мОм до 200 мОм для керамики общего назначения, а диэлектрическое поглощение падает ниже 0.05%.

Температурный коэффициент ±30 ppm/°C поддерживает уровень напряжения в диапазоне работы шкафа, поэтому демпфирующий резистор не требует сезонной перенастройки. Коэффициент поглощения поддерживает остаточное смещение ниже 5 мВ.

Стратегия 2: Удерживайте время восстановления диода ниже 30 нс.

Использовать быстровосстанавливающийся диод с обратным восстановлением менее 30 нс и плавным восстановлением, а также прямым падением напряжения менее 0.8 В при номинальном токе. Плавная характеристика распределяет обратный ток во времени, а не вызывает колебания.

Для шины 60–100 В использование диода Шоттки на основе карбида кремния (SiC) позволяет полностью исключить необходимость в восстановительном заряде, хотя и с большей стоимостью. Такой выбор исключает из теплового бюджета проблему потребления энергии (6.25 Вт), являющуюся «проблемной точкой 2».

Стратегия 3: Выберите конденсатор с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).

Установите номинальное напряжение в 1.5–2 раза выше напряжения шины, что обеспечит запас прочности без увеличения габаритов корпуса, которое повышает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). HVCT8G Детали, работающие при напряжении от 100 до 200 В, сохраняют эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 30 мОм на частоте 100 МГц при емкости от 100 до 470 нФ.

При токе 50 А вклад ESR остается ниже 1.5 В, что представляет собой разницу между целевым значением ограничения в 5% и перерегулированием в 7%. При больших значениях... пленочный конденсатор охватывает низкочастотную часть спектра.

Стратегия 4: Разделение путей зарядки и разрядки.

В цепи заряда используйте диод с низкой индуктивностью и небольшое последовательное сопротивление, а в цепи разряда — собственный резистор. В этом случае цепь заряда реагирует в течение 5 нс, а цепь разряда затухает с постоянной времени 1/(4 f_sw C).

Используйте сопротивление от 2 Ом до 6.3 Ом в цепи разряда: меньшее значение для сброса, а большее — для демпфирования. Такое разделение позволяет одному демпферу удовлетворять обоим требованиям без компромиссов.

Стратегия 5: Небольшой размер контура демпфирования

Разместите конденсатор, диод и сток переключателя в области размером 5 мм на 5 мм, используя не менее двух параллельных переходных отверстий на каждое соединение, чтобы индуктивность переходного отверстия оказалась ниже 0.5 нГн. Разместите демпфирующий конденсатор на том же слое, что и переключатель.

Суммарная индуктивность контура менее 2 нГн ограничивает отклик компонентами. Добавьте толстопленочный резистор в цепи разряда для поддержания стабильного значения сброса в зависимости от температуры.

Стратегия 6: Добавить высокочастотный обходной канал через переключатель.

Подключите конденсатор N4700 емкостью от 10 нФ до 100 нФ непосредственно к клеммам переключателя, при этом индуктивность контура должна быть ниже 1 нГн. Шлюз поглощает первые 5 нс переходного процесса, а основной демпфирующий контур обрабатывает остальную энергию.

Диэлектрик N4700 обеспечивает стабильность значения байпаса и ЭПР в широком диапазоне температур, поэтому быстродействующий путь продолжает работать даже в высокотемпературной части диапазона.

Высоковольтный выпрямительный резистор, используемый в этом же драйвере, соответствует параметрам, указанным ниже.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	ниже 1 мкс трр	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ тип.	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	ниже 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Компоненты HVC для демпфирующих сетей

На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: достаточно низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) для удержания ограничителя, диодом, быстро прекращающим проводимость, и компонентами, которые не изменяются под воздействием температуры или старения. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3, кремниевые диоды с платиновым примесью и толстопленочные резисторы на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, с номинальным напряжением диодов от 1 кВ до 100 кВ и от 100 В до 600 В.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение ESR ниже 30 мОм на частоте 100 МГц для конденсаторов емкостью от 100 нФ до 470 нФ, что позволяет удерживать вклад ESR в 50 А ниже 1.5 В по сравнению с 5 В для конденсатора с сопротивлением 100 мОм.
• Диэлектрическое поглощение ниже 0.05%, что позволяет поддерживать остаточную память напряжения близкой к нулю и сохранять стабильность фиксации напряжения от импульса к импульсу.
• Температурный коэффициент составляет ±30 ppm/°C, а изменение емкости составляет менее 0.35% в диапазоне от −55 °C до +125 °C, поэтому зажим и коэффициент демпфирования сохраняются от холодного запуска до установившегося состояния.
• Быстродействующие диоды с обратным восстановлением за время от 25 до 30 нс и плавным восстановлением, рассчитанные на напряжение от 100 до 600 В и ток от 5 до 30 А.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, что обеспечивает постоянное поглощение энергии за одно событие на протяжении всего срока службы от 5 до 10 лет.
• Подходит для установки в устройства ведущих производителей. Винтовой компонент 40 кВ/441 соответствует электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata Винтовые конденсаторы в программе полевого ремонта источников света для литографии.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в моделировании демпфирующих резисторов, анализе энергетического баланса и проверке индуктивности контура, а также в обеспечении теплового режима разрядного резистора.

Отправьте данные о напряжении шины, пиковом токе, времени спада, индуктивности контура и целевом значении ограничителя. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит список компонентов с данными ESR и восстановления, а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое количество энергии выделяется при выключении?

Это соответствует соотношению ½ L I². При индуктивности контура 10 нГн и пиковом токе 50 А энергия события составляет 12.5 мкДж, что на частоте 500 кГц соответствует средней мощности 6.25 Вт, которую должен рассеивать демпфирующий контур.

Вопрос 2: Какая емкость ограничивает напряжение на шине 60 В на 10 В?

C = L × (I/ΔV)² = 10 нГн × (50/10)² = 250 нФ. Конденсатор достигает уровня ограничения за 50 нс при токе 50 А, что укладывается в интервал выключения устройства с фронтом 10 нс.

В3: Почему в данном случае эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) важнее емкости?

Поскольку фаза заряда протекает со скоростью 50 А, сопротивление ESR 100 мОм создает напряжение 5 В, что повышает напряжение на 70-вольтовом ограничителе до 75 В и уменьшает запас прочности на 80-вольтовом выключателе. При сопротивлении 30 мОм тот же ток снижает напряжение на 1.5 В.

Вопрос 4: Сколько стоит медленный диод?

Время обратного восстановления 50 нс накапливает 0.5 × 50 А × 50 нс × 10 В = 12.5 мкДж на одно событие, или 6.25 Вт при 500 кГц. Это тепло накапливается в корпусе диода и создает нагрузку на переключатель на противоположной шине. Время восстановления должно быть менее 30 нс.

В5: Какое сопротивление демпфированию необходимо для кольца?

R = 2ζ√(L/C). При ζ = 0.5, 10 нГн и 250 пФ общее последовательное сопротивление составляет 6.3 Ом, что выше 2 Ом, необходимых для сброса конденсатора за один период. Разделенный демпфирующий контур обеспечивает каждому пути свой собственный резистор.

В6: Имеет ли значение диэлектрическое поглощение для деталей класса I?

Да, и в этом вся суть. Детали класса II восстанавливают от 1% до 5% своего заряда, что при размахе напряжения в 10 В составляет до 0.5 В неконтролируемого смещения. N4700 остается ниже 0.05%, то есть менее 5 мВ.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), 2022 г., стр. 175-178, 2022 г. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
6. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
7. Запрос рекомендаций по схеме демпфирования для защиты Infineon FF300R17KE4PСообщество разработчиков Infineon, https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
8. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
9. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com